Diapason - Tuning fork

Diapason de John Walker estampillé de la note (E) et de la fréquence en hertz (659)

Un diapason est un résonateur acoustique sous la forme d'une fourche à deux branches avec les dents ( dents ) formées à partir d'une barre en forme de U en métal élastique (généralement en acier ). Il résonne à une hauteur constante spécifique lorsqu'il vibre en le frappant contre une surface ou avec un objet, et émet un son musical pur une fois que les harmoniques aiguës s'estompent. La hauteur d'un diapason dépend de la longueur et de la masse des deux branches. Ce sont des sources traditionnelles de hauteur standard pour accorder les instruments de musique.

Le diapason a été inventé en 1711 par le musicien britannique John Shore , sergent trompettiste et luthiste à la cour.

La description

Mouvement d'un diapason A-440 (fortement exagéré) vibrant dans son mode principal

Un diapason est un résonateur acoustique en forme de fourche utilisé dans de nombreuses applications pour produire une tonalité fixe. La principale raison de l'utilisation de la forme en fourche est que, contrairement à de nombreux autres types de résonateurs, elle produit un son très pur , avec la majeure partie de l'énergie vibratoire à la fréquence fondamentale . La raison en est que la fréquence de la première harmonique est d'environ5 2/2 2 = 25/4= 6+14 fois la fondamentale (environ 2+12 octaves au-dessus). Par comparaison, la première harmonique d'une corde ou d'une barre de métal vibrante est une octave au-dessus (deux fois) de la fondamentale, donc lorsque la corde est pincée ou que la barre est frappée, ses vibrations ont tendance à mélanger les fréquences fondamentales et harmoniques. Lorsque le diapason est frappé, peu d'énergie passe dans les modes harmoniques; ils s'éteignent également plus rapidement, laissant une onde sinusoïdale pure à la fréquence fondamentale. Il est plus facile d'accorder d'autres instruments avec ce son pur.

Une autre raison d'utiliser la forme en fourche est qu'elle peut alors être maintenue à la base sans amortir l'oscillation. C'est parce que son mode principal de vibration est symétrique, avec les deux branches se déplaçant toujours dans des directions opposées, de sorte qu'à la base où les deux branches se rencontrent il y a un nœud (point d'absence de mouvement vibratoire) qui peut donc être manipulé sans enlever d'énergie de l'oscillation (amortissement). Cependant, il existe toujours un infime mouvement induit dans le manche dans sa direction longitudinale (donc perpendiculairement à l'oscillation des dents) qui peut être rendu audible à l'aide de n'importe quelle sorte de table d'harmonie . Ainsi en appuyant la base du diapason contre une table d'harmonie telle qu'une caisse en bois, un plateau de table, ou un chevalet d'instrument de musique, ce petit mouvement, mais qui est à une pression acoustique élevée (donc une impédance acoustique très élevée ), est en partie converti en son audible dans l'air qui implique un mouvement beaucoup plus important ( vitesse des particules ) à une pression relativement faible (donc une faible impédance acoustique). La hauteur d'un diapason peut également être entendue directement par conduction osseuse , en appuyant le diapason contre l'os juste derrière l'oreille, ou même en tenant la tige du diapason dans les dents, laissant commodément les deux mains libres. La conduction osseuse à l'aide d'un diapason est spécifiquement utilisée dans les tests de Weber et de Rinne pour l'audition afin de contourner l' oreille moyenne . S'il est juste tenu à l'air libre, le son d'un diapason est très faible en raison de l' inadéquation de l'impédance acoustique entre l'acier et l'air. De plus, étant donné que les faibles ondes sonores émanant de chaque broche sont déphasées de 180° , ces deux ondes opposées interfèrent , s'annulant en grande partie. Ainsi lorsqu'une feuille pleine est glissée entre les dents d'une fourche vibrante, le volume apparent augmente en réalité , car cette annulation est réduite, tout comme un haut-parleur nécessite un baffle pour rayonner efficacement.

Les diapasons commerciaux sont réglés à la bonne hauteur en usine, et la hauteur et la fréquence en hertz y sont gravées. Ils peuvent être réaccordés en limant du matériel sur les broches. Le fait de limer les extrémités des dents augmente le pas, tandis que le fait de limer l'intérieur de la base des dents l'abaisse.

Actuellement, le diapason le plus courant sonne la note de A = 440 Hz , la hauteur de ton standard utilisée par de nombreux orchestres. Ce A est la hauteur de la deuxième corde du violon, la première corde de l'alto et une octave au-dessus de la première corde du violoncelle. Les orchestres entre 1750 et 1820 utilisaient principalement A = 423,5 Hz, bien qu'il y ait eu de nombreuses fourches et de nombreuses hauteurs légèrement différentes. Il existe des diapasons standard qui vibrent à toutes les hauteurs de l'octave centrale du piano, ainsi qu'à d'autres hauteurs.

Le pas du diapason varie légèrement avec la température, principalement en raison d'une légère diminution du module d'élasticité de l'acier avec l'augmentation de la température. Un changement de fréquence de 48 parties par million par °F (86 ppm par °C) est typique pour un diapason en acier. La fréquence diminue (devient plate ) avec l'augmentation de la température. Les diapasons sont fabriqués pour avoir leur pas correct à une température standard. La température standard est maintenant de 20 °C (68 °F), mais 15 °C (59 °F) est une norme plus ancienne. La hauteur tonale des autres instruments est également sujette à variation avec le changement de température.

Calcul de la fréquence

La fréquence d'un diapason dépend de ses dimensions et de sa composition :

où:

Le rapport je/UNE dans l'équation ci-dessus peut être réécrit comme r 2/4si les dents sont cylindriques de rayon r , etun 2/12si les dents ont une section transversale rectangulaire de largeur a le long de la direction du mouvement.

Les usages

Les diapasons ont traditionnellement été utilisés pour accorder les instruments de musique , bien que les tuners électroniques les aient largement remplacés. Les fourches peuvent être entraînées électriquement en plaçant des électro- aimants entraînés par un oscillateur électronique à proximité des broches.

Dans les instruments de musique

Un certain nombre d' instruments de musique à clavier utilisent des principes similaires à ceux des diapasons. Le plus populaire d'entre eux est le piano Rhodes , dans lequel les marteaux frappent des dents métalliques qui vibrent dans le champ magnétique d'un micro , créant un signal qui entraîne une amplification électrique. Le dulcitone antérieur, non amplifié , qui utilisait directement des diapasons, souffrait d'un faible volume.

Dans les horloges et les montres

Résonateur en cristal de quartz d'une montre à quartz moderne , en forme de diapason. Il vibre à 32 768 Hz, dans la gamme des ultrasons .
Une montre Bulova Accutron des années 1960, qui utilise un diapason en acier (visible au centre) vibrant à 360 Hz.

Le cristal de quartz qui sert d'élément de chronométrage dans les horloges et montres à quartz modernes se présente sous la forme d'un petit diapason. Il vibre généralement à une fréquence de 32 768 Hz dans la plage des ultrasons (au-dessus de la plage de l'audition humaine). Il est fait vibrer par de petites tensions oscillantes appliquées à des électrodes métalliques plaquées sur la surface du cristal par un circuit oscillateur électronique . Le quartz est piézoélectrique , donc la tension fait que les dents se plient rapidement d'avant en arrière.

L' Accutron , une montre électromécanique développée par Max Hetzel et fabriquée par Bulova à partir de 1960, utilisait un diapason en acier de 360 hertz comme garde- temps, alimenté par des électro-aimants reliés à un circuit oscillateur à transistor alimenté par batterie. La fourche offrait une plus grande précision que les montres à balancier conventionnelles. Le bourdonnement du diapason était audible lorsque la montre était portée contre l'oreille.

Utilisations médicales et scientifiques

Oscillateur à tube à vide à diapason 1 kHz utilisé par le National Bureau of Standards des États-Unis (maintenant NIST ) en 1927 comme étalon de fréquence.

Les alternatives à la norme commune A=440 incluent le pas philosophique ou scientifique avec le pas standard de C=512. Selon Rayleigh , les physiciens et les fabricants d'instruments acoustiques utilisaient ce pitch. Le diapason que John Shore a donné à George Frideric Handel produit C=512.

Les diapasons, généralement C512, sont utilisés par les médecins pour évaluer l'audition d'un patient. Cela se fait le plus souvent avec deux examens appelés respectivement le test de Weber et le test de Rinne . Les plus graves, généralement à C128, sont également utilisés pour vérifier le sens des vibrations dans le cadre de l'examen du système nerveux périphérique.

Les chirurgiens orthopédistes ont exploré l'utilisation d'un diapason (fréquence la plus basse C=128) pour évaluer les blessures où une fracture osseuse est suspectée. Ils maintiennent l'extrémité de la fourche vibrante sur la peau au-dessus de la fracture suspectée, progressivement plus près de la fracture suspectée. En cas de fracture, le périoste de l'os vibre et déclenche des nocicepteurs (récepteurs de la douleur), provoquant une douleur locale aiguë. Cela peut indiquer une fracture, que le praticien réfère pour une radiographie médicale. La douleur aiguë d'une entorse locale peut donner un faux positif. La pratique établie, cependant, exige une radiographie malgré tout, car c'est mieux que de rater une vraie fracture en se demandant si une réponse signifie une entorse. Une revue systématique publiée en 2014 dans BMJ Open suggère que cette technique n'est pas suffisamment fiable ou précise pour une utilisation clinique.

Les diapasons jouent également un rôle dans plusieurs pratiques thérapeutiques alternatives , telles que la sonopuncture et la thérapie de polarité .

Étalonnage du pistolet radar

Un pistolet radar qui mesure la vitesse des voitures ou d'un ballon dans le sport est généralement calibré avec un diapason. Au lieu de la fréquence, ces fourches sont étiquetées avec la vitesse d'étalonnage et la bande radar (par exemple, la bande X ou la bande K) pour lesquelles elles sont étalonnées.

Dans les gyroscopes

Les diapasons doublés et de type H sont utilisés pour les gyroscopes à structure vibrante de qualité tactique et divers types de systèmes microélectromécaniques .

Capteurs de niveau

Le diapason constitue la partie de détection des capteurs de niveau de point vibrants Capteurs de niveau de point . Le diapason est maintenu en vibration à sa fréquence de résonance par un dispositif piézoélectrique. En entrant en contact avec des solides, l'amplitude d'oscillation diminue, le même est utilisé comme paramètre de commutation pour détecter le niveau de point pour les solides. Pour les liquides, la fréquence de résonance du diapason change lors du contact avec les liquides, le changement de fréquence est utilisé pour détecter le niveau.

Voir également

Les références

Liens externes